高壓水輪發(fā)電機定子繞組端部電暈產(chǎn)生原因分析和電場計算

摘 要：文章對高壓水輪發(fā)電機長期運行后發(fā)現(xiàn)的定子繞組端部電暈產(chǎn)生原因進行了分析，并通過有限元方法對定子繞組端部電場進行了數(shù)值計算。模擬計算了定子繞組端部在機組實際安裝過程中表面綁扎結(jié)構(gòu)及表面絕緣漆不規(guī)則形狀對局部電場強度的增強作用，并提出消除定子端部繞組電暈的方法。

關(guān)鍵詞：紫外成像技術(shù)；定子繞組端部；電暈放電；不均勻電場計算

大型水輪發(fā)電機機組容量不斷增大，定子繞組額定電壓不斷升高。已經(jīng)建成運行的大型空冷水輪發(fā)電機容量達到700MW，額定電壓達到18-20kV。空冷機組定子繞組端部絕緣為定子線棒主絕緣，定子繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)及定子繞組周圍空氣共同組成，因為空氣的介電常數(shù)小于定子繞組端部其它絕緣材料，所以定子繞組端部電壓的升高將首先在空氣中產(chǎn)生放電現(xiàn)象?？諝庵蟹烹姷某跏紶顟B(tài)一般稱為電暈發(fā)電。GB/T 7894-2009中規(guī)定額定電壓為6000V及以上的水輪發(fā)電機，當使用地點在海拔高度為4000m及以下時，其定子單個線棒（線圈）應在1.5倍額定線電壓下不起暈；整機耐電壓時，在1.05倍額定線電壓下，端部應無明顯的金黃色亮點和連續(xù)暈帶。近年來國內(nèi)外開展用紫外線成像技術(shù)檢測電暈放電狀況，紫外成像技術(shù)的應用可以避免傳統(tǒng)方法引入的肉眼誤差，使測量結(jié)果更加精確，便于定量分析放電強度。大型高壓水輪發(fā)電機設計、制造、安裝、運行、維護過程中定子繞組絕緣表面狀態(tài)不規(guī)則的電場分布，都可能形成電暈放電?？諝庵芯植侩妶鰣鰪姶笥谄淦鹗挤烹妶鰪?，空氣中產(chǎn)生電暈放電。

1 定子繞組端部電暈實例及原因分析

水電站700MW大型水輪發(fā)電機在運行一年后，檢修時發(fā)現(xiàn)其定子繞組端部表面出現(xiàn)不同程度的放電情況，每隔八根線棒中有兩根線棒放電較嚴重。在定子繞組上分相施加19.8kV工頻交流電壓并采用紫外成像儀對定子繞組進行了檢測，可見明顯紫外線發(fā)生，局部產(chǎn)生紫外線強烈。

由于定子繞組出現(xiàn)放電痕跡部位集中在線棒間電位差較大處，說明定子繞組電暈產(chǎn)生前提是線棒間電位差達到一定值。產(chǎn)生放電痕跡有規(guī)律但并不出現(xiàn)在所有電位差較大的線棒間，電位差較大定子繞組線棒間端部綁扎也并不是都有放電痕跡，說明發(fā)電發(fā)生原因與線棒表面狀態(tài)也有一定關(guān)系。

2 有限元法計算定子繞組端部電場

根據(jù)以上分析利用有限元法計算了線棒間電場強度和局部表面狀態(tài)不良時對電場強度的增強作用。

有限元法利用變分原理對電場計算中的拉普拉斯方程和泊松方程進行轉(zhuǎn)換，即將連續(xù)的求解區(qū)域離散成一組網(wǎng)格的組合體，用在每個網(wǎng)格內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)離散為未知場函數(shù)及其導數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

定子繞組電暈發(fā)生點為電場強度集中點計算重點考慮線棒端部平行段間電場情況，定子繞組端部線棒結(jié)構(gòu)相同，沿定子整個圓周對稱分布，所以只需對相鄰兩個線棒之間的電場進行計算?？紤]線棒間電位不同，不考慮單根定子線棒端部防暈層時，計算模型簡化為線棒導線、定子線棒主絕緣、定子絕緣繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)及線棒周圍空氣。根據(jù)某型高壓水輪發(fā)電機設計尺寸，設定計算模型線棒間距為20mm，線棒主絕緣為5mm，介電常數(shù)為5。

選取了某臺大型高壓水輪發(fā)電機線棒間電位差為3.181kV和1.1472kV時進行了計算，計算時假設模型中下面線棒接地，上面線棒中的電位差峰值為■倍電壓有效值，即4.498kV和1.6221kV。計算結(jié)果所示為電壓為4.498kV時電位分布情況，計算結(jié)果為線棒間電位差為4.498kV時沿垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布曲線， 6為線棒間電位差為4.498kV時為沿垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線。由計算結(jié)果可以看出，線棒周圍空氣中的電場強度大于線棒和綁扎結(jié)構(gòu)中電場強度。

計算電壓峰值為4.498kV時線棒電位分布，為垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布，垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線。線棒間電位差為4.498kV時線棒及綁扎結(jié)構(gòu)和周圍空氣中的電場強度分布。計算結(jié)果可以看出定子繞組綁扎材料與線棒間夾角處電場強度最大，最大值為0.2724kV/mm，低于空氣擊穿場強，正常情況下不會發(fā)生電暈，實際觀察發(fā)現(xiàn)相同相線棒表面狀況良好時也觀察不到電暈現(xiàn)象的發(fā)生。

計算線棒間施加電壓差峰值為1.6221kV時線棒電位分布情況，垂直線棒方向通過線棒和綁扎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電位分布，垂直線棒方向通過線棒及周圍空氣內(nèi)部的電位分布曲線，電壓峰值為1.6221kV時線棒及其周圍空氣中電場強度，線棒綁扎結(jié)構(gòu)處電場強度分布，可以看出線棒綁扎結(jié)構(gòu)與線棒結(jié)合部位電場強度較大，為1.127kV/mm。

3 定子繞組端部不規(guī)則形狀處電場計算

定子繞組安裝為膠漆類綁扎帶固定結(jié)構(gòu)，較難避免定子繞組端部產(chǎn)生不規(guī)則形狀，定子繞組端部綁扎帶刷膠固化后綁扎帶邊緣產(chǎn)生毛刺狀形狀，定子安裝線棒表面膠漆類涂刷膠在線棒表面，計算時定子繞組端部主絕緣和綁扎固定結(jié)構(gòu)介電常數(shù)取為5。

線棒安裝后表面可能存在毛刺，膠漆形成的小凸起，所示模型為模擬線棒間存在毛刺，小凸起等不規(guī)則形狀時電場強度。由此可見在毛刺和小凸起頂端附近電場強度最大，達到2.37kV/mm。

計算結(jié)果所示為線棒間存在半圓形凸起時線棒電場強度分布情況，由計算結(jié)果可見電場強度最大處在半圓形凸起的頂端，達到1.233kV/mm。

計算結(jié)果所示為定子繞組端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒交接處存在毛刺時線棒電場強度分布情況，由計算結(jié)果可見，電場強度可達3.185kV/mm。

經(jīng)過計算得出定子繞組線棒間存在4.498kV和1.6621kV電壓時定子線棒及周圍最大場強分別為0.2724kV/mm和1.127kV/mm。定子線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)處電場強度最大。在定子繞組端部線棒間存在1.6621kV電壓時，線棒表面不規(guī)則形狀毛刺和半圓形凸起處電場強度最大值分別為2.37kV/mm和1.233kV/mm，定子線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒結(jié)合處表面有毛刺時電場強度最大，達到3.185kV/mm。

在標準情況下，空氣的擊穿電場強度工程上計算為3kV/mm，空氣中電場強度大于此值，空氣將開始發(fā)生局部放電，其起始階段即稱為電暈。電壓達到一定值時，線棒端部綁扎結(jié)構(gòu)處存在毛刺時最易發(fā)生電暈放電，線棒表面形狀不規(guī)則處電場強度也較大，在空氣介質(zhì)擊穿電場強度降低的狀態(tài)下也可能發(fā)生電暈放電。為了防止發(fā)生電暈放電，建議機組設計時盡量增大線棒距離，機組安裝過程中避免線棒及綁扎結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)毛刺，尤其是線棒綁扎結(jié)構(gòu)處毛刺應嚴格控制。處理定子繞組端部電暈方法即為清除線棒表面不規(guī)則形狀。

4 結(jié)束語

文章通過有限元方法計算了定子繞組運行時線棒間電位差較大時電場分布情況，線棒表面不規(guī)則形狀處電場強度。得出了運行電壓較大的線棒表面不規(guī)則形狀為定子繞組表面產(chǎn)生電暈的主要原因。

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